La quête pour repousser les limites de l’informatique a fait un grand pas en avant grâce à une nouvelle approche développée par les scientifiques de Google. Leur méthode de simulation quantique hybride combine les avantages de deux techniques distinctes et pourrait bien permettre aux ordinateurs quantiques de surpasser les supercalculateurs dans les cinq prochaines années. Cette avancée ouvre des perspectives fascinantes, tant sur le plan technologique que scientifique, notamment dans la découverte de médicaments et le développement de batteries plus performantes. Mais qu’est-ce que cette simulation quantique et pourquoi est-elle aussi prometteuse ?
Qu’est-ce que la simulation quantique ?
La simulation quantique désigne l’utilisation des ordinateurs pour modéliser et imiter le comportement de systèmes quantiques complexes, tels que des molécules, des atomes ou même des matériaux. Dans le monde classique, il est extrêmement difficile de simuler ces systèmes en raison de la complexité inhérente aux interactions entre les particules subatomiques. Les lois de la physique quantique stipulent que ces particules peuvent être dans plusieurs états simultanément, ce qui complique considérablement les calculs nécessaires pour prédire leur comportement à grande échelle.
Les ordinateurs classiques, qui fonctionnent selon les principes de la logique binaire, sont donc limités lorsqu’il s’agit de simuler des phénomènes quantiques. C’est là que les ordinateurs quantiques entrent en jeu. Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, l’unité de base de l’information quantique qui peut exister dans une superposition d’états, contrairement aux bits classiques qui ne peuvent être que 0 ou 1. Cela leur permet de traiter une quantité d’informations beaucoup plus grande simultanément, en théorie. Cependant, la simulation d’un système quantique complexe, à l’échelle moléculaire ou atomique, reste un défi en raison de la quantité de calculs nécessaires.
La méthode hybride : un mélange de simulation numérique et analogique
La méthode de simulation quantique récemment dévoilée par Google repose sur l’association de deux types de simulation quantique : la simulation numérique et la simulation analogique. La simulation numérique est un processus dans lequel les qubits sont manipulés pour simuler de manière précise les différents états d’un système quantique. Elle permet une grande souplesse, mais reste relativement lente lorsqu’il s’agit de simuler de grands systèmes.
À l’inverse, la simulation analogique est beaucoup plus rapide. Elle consiste à manipuler simultanément tous les qubits d’un système pour imiter l’évolution de l’état quantique du système à simuler. Cependant, elle est plus sujette aux erreurs et à l’introduction de bruit, ce qui peut fausser les résultats. L’approche hybride de Google combine le meilleur des deux mondes : elle commence par une simulation numérique pour préparer les états quantiques initiaux des qubits, puis elle passe à une simulation analogique, avant de revenir à la simulation numérique pour affiner les résultats et éliminer les erreurs potentielles.
Cette méthode présente plusieurs avantages. Elle permet de tirer parti de la rapidité de la simulation analogique tout en conservant la précision de la simulation numérique. Selon les chercheurs de Google, cette approche hybride pourrait être la clé pour surmonter certaines des limitations actuelles des ordinateurs quantiques en rendant la simulation quantique à grande échelle plus viable.
Une étape de plus vers la suprématie quantique
Le concept de suprématie quantique fait référence à un moment où les ordinateurs quantiques surpassent les ordinateurs classiques en termes de capacités de calcul. Google a déjà démontré que ses puces quantiques, comme Sycamore et plus récemment Willow, peuvent réaliser des calculs que les supercalculateurs actuels ne peuvent pas effectuer. Cependant, cette démonstration a été principalement théorique et s’est concentrée sur des tâches spécifiques de benchmarking, sans application pratique.
Les progrès réalisés grâce à la simulation quantique hybride permettent de résoudre des problèmes plus complexes et plus proches de scénarios réels. Cela ouvre la voie à une suprématie quantique pratique dans des domaines comme la chimie, la science des matériaux et la pharmacologie où des simulations de molécules et d’interactions atomiques sont essentielles.
Un exemple concret des capacités de cette nouvelle méthode est la simulation du comportement des aimants à des températures extrêmement basses, une question longtemps étudiée par la physique théorique. Grâce à la simulation hybride, les chercheurs ont pu tester des modèles qui ont mené à des découvertes inattendues, ce qui remet en question des hypothèses établies, comme le mécanisme Kibble-Zurek qui prédit l’emplacement des défauts dans un matériau. En reproduisant un comportement non anticipé, cette méthode hybride a permis d’obtenir de nouveaux résultats qui pourraient avoir des applications dans la recherche sur les matériaux quantiques et les technologies de stockage d’énergie.
Des applications révolutionnaires
Les applications potentielles de cette avancée sont multiples et pourraient transformer plusieurs secteurs clés. Par exemple, la simulation quantique pourrait jouer un rôle majeur dans la découverte de médicaments, en permettant de modéliser des interactions moléculaires avec une précision sans précédent. Cela pourrait accélérer la création de nouveaux médicaments, en particulier pour des maladies complexes comme le cancer ou Alzheimer.
De plus, la recherche sur les batteries bénéficierait de simulations plus réalistes des matériaux et des réactions chimiques impliquées. Les ordinateurs quantiques pourraient également révolutionner la conception de nouveaux matériaux plus efficaces, à la fois pour l’énergie et pour des applications industrielles diverses. En traitant des systèmes complexes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas simuler, la simulation quantique pourrait déboucher sur des innovations majeures dans des domaines variés.
